胡 軻 張 華 韋 虹 李雙清

（1-寧波吉利羅佑發(fā)動機零部件有限公司 浙江 寧波 315336 2-浙江吉利動力總成有限公司）

引言

為了實現(xiàn)具有挑戰(zhàn)性的能效目標，滿足越來越嚴苛的環(huán)保排放指標，目前行業(yè)內(nèi)的先進汽油發(fā)動機都在不同程度上采用了廢氣渦輪增壓器、廢氣再循環(huán)、缸內(nèi)直噴、高壓縮比以及稀燃等技術(shù)選項中的多項技術(shù)。采用以上幾項技術(shù)的發(fā)動機，在發(fā)動機運行的某些工況存在缸內(nèi)同一時間多種不均勻混合氣分布，缸內(nèi)的缸壓較大，缸內(nèi)的混合氣的密度高，混合氣的湍流速度大等特點。使用普通的火花塞，點火時刻若沒有提供足夠的點火能量，則很有可能會出現(xiàn)電極間隙無法被擊穿。根據(jù)相關(guān)內(nèi)燃機的燃燒理論研究，點火能量低，形成的初級火核的尺寸越小，更容易被流動混合氣吹熄。點火時刻形成的火核被吹熄后，如果沒有足夠的點火能量形成新火核，這樣無法保證穩(wěn)定可靠的缸內(nèi)燃燒過程，從而會導致失火概率升高[1]。有關(guān)研究文獻對不同廠商的點火線圈點火能量的發(fā)展趨勢進行了預(yù)測，預(yù)計到2020 年，配套的點火能量將超過200 mJ[2]。所以，在發(fā)動機設(shè)計過程中，在采用這些新技術(shù)的同時，也要匹配高點火能量的點火系統(tǒng)，否則發(fā)動機無法穩(wěn)定工作。

稀薄燃燒技術(shù)是當前行業(yè)內(nèi)普遍認同的提升發(fā)動機熱效率的關(guān)鍵技術(shù)手段之一。稀燃技術(shù)的主要特點是采用比傳統(tǒng)當量比更稀的缸內(nèi)混合氣，因此火花塞周圍環(huán)境的混合氣濃度也會比較低，點火時刻火核難以形成，所以需要的最小點火能量迅速增加。提高點火能量有利于火核形成，保證火焰快速生長，可以有效拓展混合氣的燃燒極限。

本文著重介紹了3 種不同高能點火系統(tǒng)，并在同一臺發(fā)動機上進行稀燃性能試驗，對比不同高能點火系統(tǒng)對發(fā)動機性能、油耗和排放的影響。

1 高能點火系統(tǒng)

點火系統(tǒng)是火花點火發(fā)動機的基礎(chǔ)零部件，在發(fā)動機運行過程中，點火線圈受發(fā)動機ECU 的控制，按照發(fā)火順序給火花塞提供高的點火能量，最終火花塞電極間隙產(chǎn)生火花，點燃缸內(nèi)的可燃混合氣體。因此，點火系統(tǒng)能否可靠準確地點火以及點火系統(tǒng)的性能會對發(fā)動機的效率、性能和污染物排放產(chǎn)生什么影響都需要進一步的研究。傳統(tǒng)點火線圈初級能量能達到50 mJ，電子式的點火線圈點火能量能達到100 mJ。根據(jù)經(jīng)驗劃分，點火線圈的能量能達到100 mJ 的點火系統(tǒng)就可以稱之為高能點火系統(tǒng)，如果點火線圈初級能量達到了200～300 mJ 或者更高就稱之為超高能量點火系統(tǒng)，圖1 所示為點火線圈點火能量的發(fā)展趨勢。

圖1 點火線圈點火能量的發(fā)展趨勢

1.1 普通高能點火系統(tǒng)

當前普通的量產(chǎn)發(fā)動機點火系統(tǒng)，其工作原理為點火線圈與火花塞連接，儲存點火所需的能量，將電源提供的低電壓電轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏弘姡⒏邏弘妭鬟f給火花塞，火花塞在高壓電的作用下電極間隙被擊穿產(chǎn)生電火花點燃電極周圍缸內(nèi)的混合氣體。

當前量產(chǎn)發(fā)動機上使用的點火能量范圍都要小于100 mJ，普通高能點火系統(tǒng)在現(xiàn)有的點火線圈產(chǎn)品基礎(chǔ)上提升點火能量，使點火線圈提供的點火能量能夠達到120 mJ。這種方案在現(xiàn)有產(chǎn)品基礎(chǔ)上進行技術(shù)升級，與傳統(tǒng)的點火系統(tǒng)相比，不會增加系統(tǒng)布置的難度，同時成本的增加也在能夠接受的范圍之內(nèi)。

1.2 長放電持續(xù)期的高能點火系統(tǒng)

長放電持續(xù)期的高能點火系統(tǒng)如圖2 所示，它由控制裝置和點火線圈組成，系統(tǒng)集成度非常高，并不會比普通的點火系統(tǒng)體積尺寸大特別多。該系統(tǒng)能夠提供80～500 mJ 的點火能量，屬于超高能量點火，電壓能夠達到45 kV。

圖2 供應(yīng)商點火系統(tǒng)產(chǎn)品

普通點火系統(tǒng)的主要弱點是在點火的后一階段電流處于較低的水平，如圖3 所示，穩(wěn)定電流Ispark的趨勢是隨著點火時間的增加不斷減弱，這樣點火能量較小，不利于火核的形成。如圖4 所示，長放電持續(xù)期點火系統(tǒng)能夠在整個點火過程中維持較強的穩(wěn)定電流，無論燃燒室缸內(nèi)混合氣體的湍流速度是大是小，所以點火能量有很大的提升。

圖3 普通點火電流趨勢

圖4 長放電持續(xù)期點火電流趨勢

如圖5 所示的長放電持續(xù)期高能點火系統(tǒng)工作原理圖，其具體的工作過程是：通過調(diào)節(jié)放電的時間Tspark，放電的峰值電流Ipk，穩(wěn)定電流Ispark來調(diào)節(jié)點火的能量，具體的點火能量數(shù)值不能在實際測試中讀取，只能根據(jù)對應(yīng)的公式進行換算，點火能量和調(diào)節(jié)參數(shù)的對應(yīng)如表1 所示，長放電持續(xù)期高能點火系統(tǒng)可調(diào)節(jié)的點火能量范圍是90～450 mJ，該點火系統(tǒng)擁有較寬的點火能量區(qū)間，并且能夠?qū)崿F(xiàn)高達450 mJ 的超高點火能量值。長放電持續(xù)期高能點火系統(tǒng)與普通的點火系統(tǒng)相比，需要獨立的控制單元，該控制單元還能進行失火診斷和爆震分析。

圖5 長放電持續(xù)期工作過程

表1 長放電持續(xù)期點火能量對應(yīng)表

1.3 電暈點火系統(tǒng)

如圖6 的系統(tǒng)圖所示，電暈點火系統(tǒng)由高頻控制器和點火器組成，高頻控制器需要單獨的電源供電或者通過發(fā)動機電源供電。高頻控制器有多個點火觸發(fā)信號輸出，內(nèi)部通過CAN 與ECU 通訊。在試驗過程中，該套點火系統(tǒng)可通過高頻控制器控制模塊進行控制。其點火性能是通過控制次級電壓和點火持續(xù)時間來進行控制。

圖6 電暈點火系統(tǒng)圖

控制單元負責處理從發(fā)動機ECU 發(fā)出的脈沖，將12 V 的直流電壓轉(zhuǎn)換成頻率大約為1 MHz 的高頻電壓，通過這個電壓來激勵點火器共振。當接收到1 MHz 高頻激勵作用，點火器會激發(fā)出72 kV 的超高電壓，通過點火器的尖端輻射產(chǎn)生具有高場強的交變電場。電場從點火器的電極延伸到燃燒室內(nèi)，用能量激勵點火器電極范圍內(nèi)的混合氣，直到轉(zhuǎn)變成等離子體，這個過程在幾個微秒內(nèi)完成。一旦電子密度達到足夠大的程度，即刻會形成多條長的電離氣體束點燃燃燒室內(nèi)的可燃混合氣[3]。電暈點火可以生成面向整個發(fā)動機缸體內(nèi)腔的電暈體，跟可燃混合氣不是空間上單點接觸，而是全方位的放電效應(yīng)，所以能最大化提升混合氣的可點燃性和缸內(nèi)的燃燒穩(wěn)定性。電暈點火系統(tǒng)需要高頻的控制器，電暈點火器比普通的點火線圈和火花塞尺寸要大一些，需要考慮其在發(fā)動機缸蓋上的布置。

2 發(fā)動機試驗

2.1 發(fā)動機及試驗基本信息

試驗是在一款排量1.5L 的3 缸渦輪增壓發(fā)動機直噴汽油機上進行的，采用高壓縮比、Miller 循環(huán)及雙頂置凸輪軸等技術(shù)，發(fā)動機的參數(shù)如表2 所示。臺架設(shè)備型號和具體參數(shù)如表3 所示，試驗采用92#汽油。

表2 發(fā)動機參數(shù)

綜合應(yīng)用高能點火系統(tǒng)、高滾流比氣道、小包角進氣凸輪軸和高壓縮比技術(shù)，試驗內(nèi)容為固定工況點，從0.9 到1.9 對過量空氣系數(shù)進行掃點，保持一定的掃點步長，擬研究不同過量空氣系數(shù)工況下的發(fā)動機性能的變化。在試驗過程中通過調(diào)節(jié)高效點火系統(tǒng)的次級電壓和點火持續(xù)時間，且不出現(xiàn)漏電的情況下，保證稀薄油氣混合氣的點燃。試驗邊界條件如表4 所示。

表3 試驗設(shè)備清單

表4 試驗邊界控制條件

2.2 試驗結(jié)果分析

2.2.1 普通高能點火試驗結(jié)果

以上述發(fā)動機為基礎(chǔ)機，使用120 mJ 普通高能點火線圈，發(fā)動機運行在固定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，BMEP為1.05 MPa，對過量空氣系數(shù)進行掃點，各工況運行穩(wěn)定后，記錄發(fā)動機不同過量空氣系數(shù)工況下的性能參數(shù)。通過所測普通高能點火系統(tǒng)試驗結(jié)果分析，當提高發(fā)動機點火線圈的點火能量到120 mJ，點火系統(tǒng)能點燃φat≈1.25 稀燃混合氣。如圖7 所示的油耗數(shù)據(jù)結(jié)果，隨著過量空氣系數(shù)的提高，發(fā)動機的有效燃油消耗率逐漸降低，得到的最低油耗為213.43 g/（kW·h），對比當量比下的油耗222.18 g/（kW·h）降低了3.5%左右。

圖7 120 mJ 油耗結(jié)果

如圖8 所示，從120 mJ 點火系統(tǒng)的COV 結(jié)果也可以看出，當過量空氣系數(shù)φat＞1.25 的時候，COV＞3，發(fā)動機循環(huán)變動增加，不能繼續(xù)增加過量空氣系數(shù)進行試驗。圖9 所示為120 mJ 點火系統(tǒng)的燃燒參數(shù)測試結(jié)果，燃燒持續(xù)期隨著過量空氣系數(shù)增加而有所推遲。

圖8 120 mJ COV 結(jié)果

圖9 120 mJ 燃燒持續(xù)期和CA50

如圖10 所示，120 mJ 點火系統(tǒng)測試的排放結(jié)果可以看出過量空氣系數(shù)的提高對于排放的影響，隨著過量空氣系數(shù)的提高，NOx排放呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，具體在φat=1.1 附近達到極值。當過量空氣系數(shù)大于1.1 之后，NOx排放數(shù)值逐漸降低，有繼續(xù)減小的趨勢。

圖10 120 mJ NOx 排放結(jié)果

2.2.2.長放電持續(xù)期高能點火試驗結(jié)果

以同樣的發(fā)動機為基礎(chǔ)機型，使用長放電持續(xù)期的高能點火系統(tǒng)，發(fā)動運行在固定轉(zhuǎn)速2 500 r/min，BMEP 為0.9 MPa，其他參數(shù)保持不變，對過量空氣系數(shù)進行掃點，掃點步長為0.1，記錄發(fā)動機不同過量空氣系數(shù)工況下的各性能參數(shù)。同時通過調(diào)節(jié)所測試點火系統(tǒng)的放電持續(xù)時間，獲得不同的點火能量（90 mJ，實線所示和310 mJ，虛線所示），重復(fù)上述步驟進行試驗，得到不同點火能量下，過量空氣系數(shù)對發(fā)動機各項參數(shù)的影響。

如圖11 所示，隨著過量空氣系數(shù)的增加，發(fā)動機的有效燃油消耗量隨著φat的升高先降低后增加，在φat=1.505 時，是燃油消耗的極值，獲得最佳燃油消耗率209.1 g/（kW·h）。同時，對比相同過量空氣系數(shù)工況下兩種不同點火能量的試驗結(jié)果可以看出，點火能量越大越能獲得更低的燃油消耗率。

圖11 長放電持續(xù)期油耗結(jié)果

從圖12 的COV 試驗結(jié)果可以看出高能點火系統(tǒng)對于稀燃極限的拓展也是有限的，長放電持續(xù)期的高能點火系統(tǒng)只能將稀燃極限提升至1.7 左右，點火能量的升高能一定程度上改善發(fā)動機運行穩(wěn)定性，但是還是不能提升過量空氣系數(shù)至1.7 以上，此時發(fā)動機運行不穩(wěn)定，循環(huán)變動增加。

圖12 長放電持續(xù)期COV 結(jié)果

通過圖13 和圖14 的燃燒參數(shù)分析可知，隨著過量空氣系數(shù)的升高，缸內(nèi)混合氣的燃燒速度明顯變慢，燃燒持續(xù)期增加，所以當φat＞1.7 之后，COV 急劇變差，燃燒不穩(wěn)定。相比于普通高能點火系統(tǒng)，通過延長放電持續(xù)期對點火能量的提高，能有效改善燃燒過程，提高燃燒速度。

通過圖15 所示的NOx排放數(shù)據(jù)分析，過量空氣系數(shù)的提高對NOx排放影響的趨勢與普通高能點火是吻合的，在φat為1.1 附近時，NOx排放達到極值，當φat＞1.1，NOx排放呈現(xiàn)下降趨勢，在φat=1.7 左右時，實測NOx排放數(shù)值為383×10-6，仍不能滿足排放法規(guī)規(guī)定的排放限值要求。需要進一步研究φat＞1.7時，過量空氣系數(shù)的變化對于NOx排放的改善趨勢。

圖13 長放電持續(xù)期燃燒持續(xù)期

圖14 長放電持續(xù)期CA50

圖15 長放電持續(xù)期NOx 排放

2.2.3 電暈點火稀燃試驗

以上述發(fā)動機為基礎(chǔ)機型，使用電暈點火系統(tǒng)，發(fā)動運行在固定轉(zhuǎn)速2500 r/min，BMEP 為0.9 MPa，對過量空氣系數(shù)進行掃點，記錄發(fā)動機不同過量空氣系數(shù)狀態(tài)下的各性能參數(shù)。

圖16 所測試電暈點火油耗結(jié)果

如圖16 所示，過量空氣系數(shù)對油耗的影響變化趨勢與長放電持續(xù)期點火系統(tǒng)趨勢一致，在φat=1.55時，獲得最低油耗207.25 g/（kW·h），比長放電持續(xù)期點火系統(tǒng)有更低的燃油消耗，說明點火能量的繼續(xù)提高會降低油耗。

同樣，當φat升高到1.7 左右時，COV 急劇增加，燃燒不穩(wěn)定，如圖17 和18 所示的燃燒參數(shù)，說明在試驗用的基礎(chǔ)發(fā)動機上，靠簡單地提升點火能量，能夠?qū)崿F(xiàn)的稀燃邊界是有限的，需要對發(fā)動機和點火系統(tǒng)的匹配進行優(yōu)化，優(yōu)化缸內(nèi)混合氣的形成。

圖17 所測試電暈點火COV 結(jié)果

圖18 所測試電暈點火燃燒參數(shù)

從圖19 所示的NOx排放的測試結(jié)果可知，當φat＞1.7 時，繼續(xù)增大過量空氣系數(shù)，能繼續(xù)降低NOx排放。

圖19 所測電暈點火NOx 排放

3 結(jié)論

1）均質(zhì)稀燃是提升發(fā)動機熱效率的關(guān)鍵技術(shù)之一，高能點火系統(tǒng)在發(fā)動機上的應(yīng)用是實現(xiàn)稀燃技術(shù)的必要條件，高能點火系統(tǒng)能顯著提高較濃或者較稀混合氣成功點火的概率，改善混合氣的著火過程，提升燃燒速度。

2）長放電持續(xù)期的高能點火系統(tǒng)與普通的高能點火系統(tǒng)相比較，能穩(wěn)定點燃更稀的缸內(nèi)混合氣，試驗結(jié)果顯示所測長放電持續(xù)期點火系統(tǒng)能點燃φat≤1.65 的稀燃混合氣。但當φat＞1.65，實測結(jié)果COV＞3%，燃燒持續(xù)期隨著過量空氣系數(shù)的增加持續(xù)增加，發(fā)動機不能成功點火，出現(xiàn)失火。

3）所測電暈點火系統(tǒng)是一種體積點火方式，與長放電持續(xù)期的高能點火系統(tǒng)相比，能有效點燃φat＞1.65 的稀燃混合氣，進一步拓展了稀燃的極限，但是受基礎(chǔ)試驗發(fā)動機缸徑和燃燒室高度的限制，較高的過量空氣系數(shù)φat=1.7（1.8），試驗時循環(huán)變動增加，燃燒不穩(wěn)定[4]。